專利名稱：含鈦、硼、稀土的多元微合金化鋁合金及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋁合金制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多元微合金化鋁合金的制造方法。
背景技術(shù)：
鋁合金由于重量輕，資源豐富，綜合性能好，所以在機(jī)械、交通運(yùn)輸、航天與軍事工業(yè)等高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用逐年增加。隨著鋁合金的廣泛應(yīng)用，對(duì)鋁錠及鋁坯在后續(xù)深加工工藝中的組織提出了更嚴(yán)格的要求。生產(chǎn)高質(zhì)量的鋁合金，控制鑄錠組織是十分必要的，而控制其組織和性能的關(guān)鍵之一是熔鑄出最佳的鑄態(tài)晶粒組織。晶粒尺寸和形態(tài)是鑄態(tài)組織的最重要特征，細(xì)小均勻的等軸晶是其最佳的鑄態(tài)組織。鈦元素在鋁合金中形成許多的金屬間化合物TiAl3粒子，提供了大批的非均質(zhì)形核基底，促進(jìn)a-Al成核，從而使鑄態(tài)組織細(xì)化。在純鋁和鋁合金中添加一定Ti/B比的B元素，可獲得更優(yōu)異的細(xì)化效果。特別是在亞共晶Al-Si合金中，B元素的添加，有明顯的細(xì)化作用。鋁合金中添加稀土可起到凈化、強(qiáng)化和細(xì)化的作用。稀土在化學(xué)周期表中是比較活潑的元素，如果在鋁合金中直接加入稀土，它極易在晶界上析出，阻礙晶粒的長(zhǎng)大，有效控制晶粒粗化。同時(shí)會(huì)和雜質(zhì)元素反應(yīng)生成化合物，可有效去除夾雜。因此，通過(guò)氧化鋁—化合物—冰晶石熔鹽電解共析法生產(chǎn)Ti≤0.2％，B≤0.1％，稀土≤0.6％的微合金化的鋁合金，可綜合Ti、B、稀土元素對(duì)合金綜合性能影響的優(yōu)勢(shì)，獲得更好的細(xì)化及強(qiáng)化效果。
申請(qǐng)?zhí)枮?7105233.4的專利申請(qǐng)“直接電解法生產(chǎn)稀土鋁鈦硼中間合金”提供了一種將組成這種合金的各種氧化物直接加入常規(guī)鋁工業(yè)電解槽，按常規(guī)工作條件同步一次電解完成含3.5-4.0％Ti，1-1.4％B，0.9-1.1％RE的稀土鋁鈦硼合金的生產(chǎn)方法。該發(fā)明合金元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本發(fā)明合金。
申請(qǐng)?zhí)枮?00510017497.9的發(fā)明“細(xì)晶鋁錠及其制備方法”介紹了一種經(jīng)過(guò)不同加鈦天數(shù)，采用氧化鋁—氧化鈦—冰晶石熔鹽電解共析法生產(chǎn)的鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01-0.20％的晶粒細(xì)化的鋁錠的方法。雖含鈦量與本發(fā)明相同，但在電解過(guò)程中不加硼化合物和稀土化合物。因此，產(chǎn)物中不含稀土、硼元素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的鋁合金中添加鈦、硼、稀土元素方法存在的問(wèn)題，提供一種含鈦、硼、稀土的多元微合金化鋁合金，合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Ti≤0.2％，B≤0.1％，稀土≤0.6％；同時(shí)提供該含鈦、硼、稀土的多元微合金化鋁合金的制造方法，以細(xì)化鋁合金鑄態(tài)組織和提高鋁合金性能，降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明技術(shù)方案是一種含鈦、硼、稀土的多元微合金化鋁合金，其各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Ti ≤0.2％B ≤0.1％稀土≤0.6％雜質(zhì)≤0.6％鋁為余量。
Ti、B、稀土中至少有兩種元素不能同時(shí)為0。
制備上述的含鈦、硼、稀土的多元微合金化鋁合金的方法，采用氧化鋁—化合物—冰晶石熔鹽電解共析法制備，在鋁電解槽中添加鈦化合物、硼化合物、稀土化合物和氧化鋁，在冰晶石體系的電解質(zhì)中進(jìn)行電解，電解槽中鋁液達(dá)到權(quán)利要求1所述目標(biāo)Ti、B含量所需添加鈦化合物、硼化合物的天數(shù)為Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù) B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加鈦化合物、硼化合物天數(shù)0-0.05％ 0-0.05％ 1天＞0.05％-0.10％＞0.05％-0.10％2天＞0.10％-0.15％＞0.10％-0.15％3天＞0.15％-0.20％＞0.15％-0.20％4天。
其中
冰晶石體系的電解質(zhì)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為氟化鈉與氟化鋁的分子比2.1-2.7氟化鈉40.0-51.0％氟化鋁35.0-46.0％氟化鈣≤6.5％氟化鎂≤3.0％。
電解工藝參數(shù)為電解質(zhì)溫度920-980℃電解槽工作電壓3.90-4.50V鋁液高度 15-26cm電解質(zhì)高度15-26cm。
鈦化合物為二氧化鈦和氟化鈦。
硼化合物為三氧化二硼。
稀土化合物為氧化稀土，氯化稀土，碳酸稀土，優(yōu)選碳酸稀土。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.現(xiàn)有技術(shù)通常是通過(guò)添加中間合金的方式向鋁合金中添加微合金元素，而本發(fā)明提供的用氧化鋁—化合物—冰晶石熔鹽電解共析法添加微合金化鋁合金，降低了合金元素的添加成本，減少了合金中的氧化物夾雜及氫含量，細(xì)化及強(qiáng)化了合金，可獲得耐高溫性強(qiáng)、長(zhǎng)效性好、遺傳性好的高質(zhì)量的鋁合金，是一種有前途的多元微合金化鋁合金的生產(chǎn)方法。
2.本發(fā)明所提供的制備方法對(duì)電解槽電流效率、物料和能源消耗等指標(biāo)影響很小，電解槽各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和工藝參數(shù)與純鋁電解十分相近。
3.以含鈦、硼、稀土的多元微合金化鋁合金為基材，添加所需合金元素制造成份符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)要求的鑄造鋁合金和變形鋁合金，可大幅降低鋁合金生產(chǎn)成本，提高合金性能。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但不局限于下列實(shí)施例。
實(shí)施例1通過(guò)在160kA工業(yè)電解槽中添加二氧化鈦、三氧化二硼、富鑭混合稀土氧化物和氧化鋁，生產(chǎn)出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03％Ti，0.09％B，0.3％稀土的多元微合金化鋁合金。兩天后合金成分達(dá)到目標(biāo)值。
冰晶石體系的電解質(zhì)各組份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為分子比(NaF∶AlF3) 2.36氟化鈉(NaF) 46.97％氟化鋁(AlF3)39.81％氟化鈣(CaF2)3.56％氟化鎂(MgF2)1.14％；電解工藝參數(shù)為電解溫度 948℃電解槽工作電壓 4.18V鋁液高度 22cm電解質(zhì)高度 18cm；第一天鋁液中添加硼，不加鈦、稀土，硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的目標(biāo)值為0.05％，電解得到多元微合金化鋁合金的各組份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Al 99.79％B0.05％雜質(zhì)總量 0.16％；第二天鋁液中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)目標(biāo)值為0.03％，硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)目標(biāo)值為0.09％，稀土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)目標(biāo)值為0.3％，電解得到多元微合金化鋁合金的各組份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Al 99.13％Ti 0.03％
B 0.09％稀土0.3％雜質(zhì)總量0.45％。
實(shí)施例2通過(guò)在80kA工業(yè)電解槽中添加二氧化鈦，三氧化二硼、富鈰混合稀土氧化物和氧化鋁，生產(chǎn)出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02％Ti，0.002％B，0.2％稀土的多元微合金化鋁合金。二氧化鈦、富鈰混合稀土氧化物應(yīng)在出鋁后加入電解槽料箱，10小時(shí)后加入三氧化二硼。一天合金成分達(dá)到目標(biāo)值。
冰晶石體系的電解質(zhì)各組份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為分子比(NaF∶AlF3) 2.45氟化鈉(NaF) 46.96％氟化鋁(AlF3) 38.31％氟化鈣(CaF2) 3.96％氟化鎂(MgF2) 1.20％；電解工藝參數(shù)為電解溫度949℃電解槽工作電壓 4.38V鋁液高度18cm電解質(zhì)高度 22cm；電解得到多元微合金化鋁合金的各組份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Al 99.478％Ti 0.02％B 0.002％稀土0.2％雜質(zhì)總量0.3％。
實(shí)施例3
通過(guò)在190kA工業(yè)電解槽中添加二氧化鈦、富鈰混合稀土氯化物和氧化鋁，生產(chǎn)出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10％Ti，0.3％RE的多元微合金化鋁合金。二氧化鈦、富鈰混合稀土氯化物應(yīng)在出鋁后加入電解槽料箱。兩天后合金成分達(dá)到目標(biāo)值。
冰晶石體系的電解質(zhì)各組份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為分子比(NaF∶AlF3) 2.28氟化鈉(NaF) 47.61％氟化鋁(AlF3)41.81％氟化鈣(CaF2)3.47％氟化鎂(MgF2)0.86％；電解工藝參數(shù)為電解溫度 953℃電解槽工作電壓 4.25V鋁液高度 24cm電解質(zhì)高度 21cm；第一天鋁液中添加鈦，不加稀土，鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的目標(biāo)值為0.05％，電解得到多元微合金化鋁合金的各組份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Al 99.65％Ti 0.05％雜質(zhì)總量 0.3％第二天鋁液中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)目標(biāo)值為0.10％，稀土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)目標(biāo)值為0.3％，電解得到細(xì)晶鋁錠各組份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Al 99.30％Ti 0.1％稀土 0.3％雜質(zhì)總量 0.3％實(shí)施例4
通過(guò)在230kA工業(yè)電解槽中添加氟化鈦、三氧化二硼和氧化鋁，生產(chǎn)出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04％Ti，0.004％B的多元微合金化鋁合金，氟化鈦應(yīng)在出鋁后加入電解槽料箱，8小時(shí)后加入三氧化二硼。一天合金成分達(dá)到目標(biāo)值。
冰晶石體系的電解質(zhì)各組份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為分子比(NaF∶AlF3) 2.42氟化鈉(NaF) 48.61％氟化鋁(AlF3)40.21％氟化鈣(CaF2)3.47％氟化鎂(MgF2)2.86％；電解工藝參數(shù)為電解溫度 943℃電解槽工作電壓 4.35V鋁液高度 24cm電解質(zhì)高度 21cm；電解得到多元微合金化鋁合金各組份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Al 99.656％Ti 0.04％B0.004％雜質(zhì)總量 0.30％實(shí)施例5通過(guò)在160kA工業(yè)電解槽中添加二氧化鈦、碳酸鑭和氧化鋁，生產(chǎn)出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.18％Ti，0.5％RE的多元微合金化鋁合金。四天合金成分達(dá)到目標(biāo)值。
冰晶石體系的電解質(zhì)各組份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為分子比(NaF∶AlF3) 2.26氟化鈉(NaF) 49.61％氟化鋁(AlF3)43.81％
氟化鈣(CaF2) 3.47％氟化鎂(MgF2) 0.86％；電解工藝參數(shù)為電解溫度 974℃電解槽工作電壓4.35V鋁液高度 22cm電解質(zhì)高度23cm；第一天鋁液中加鈦，鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的目標(biāo)值為0.05％，電解得到多元微合金化鋁合金的各組份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Al99.79Ti0.05雜質(zhì)含量 0.16；第二天鋁液中加鈦，鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的目標(biāo)值為0.10％，電解得到多元微合金化鋁合金的各組份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Al99.87％Ti0.10％雜質(zhì)總量 0.3％；第三天鋁液中加鈦、稀土，鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的目標(biāo)值為0.15％，稀土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的目標(biāo)值為0.3％，電解得到多元微合金化鋁合金的各組份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Al99.54％Ti0.15％稀土 0.3％雜質(zhì)總量 0.28％；第四天鋁液中加鈦、稀土，鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的目標(biāo)值為0.18％，稀土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的目標(biāo)值為0.5％，
電解得到多元微合金化鋁合金的各組份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Al 99.00％Ti 0.18％稀土 0.5％雜質(zhì)總量 0.32％。
實(shí)施例6通過(guò)在200kA工業(yè)電解槽中添加三氧化二硼、鑭鈰氧化物富集物和氧化鋁，生產(chǎn)出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.045％B，0.1％RE的多元微合金化鋁合金。一天合金成分達(dá)到目標(biāo)值。
冰晶石體系的電解質(zhì)各組份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為分子比(NaF∶AlF3)2.29氟化鈉(NaF) 44.96％氟化鋁(AlF3) 39.31％氟化鈣(CaF2) 2.96％氟化鎂(MgF2) 2.20％；電解工藝參數(shù)為電解溫度 946℃電解槽工作電壓 4.36V鋁液高度 19cm電解質(zhì)高度 25cm；電解得到多元微合金化鋁合金的各組份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Al 99.655％B0.045％稀土 0.1％雜質(zhì)總量 0.2％。
權(quán)利要求
1.含鈦、硼、稀土的多元微合金化鋁合金，含有微量鈦、硼、稀土元素，其特征在于各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Ti≤0.2％B ≤0.1％稀土 ≤0.6％雜質(zhì) ≤0.6％鋁為余量，其中，Ti、B、稀土元素至少有兩種不同時(shí)為0。
2.制備權(quán)利要求1所述的含鈦、硼、稀土的多元微合金化鋁合金的方法，采用氧化鋁-化合物-冰晶石熔鹽電解共析法制備，其特征在于在鋁電解槽中添加鈦化合物、硼化合物、稀土化合物和氧化鋁，在冰晶石體系的電解質(zhì)中進(jìn)行電解，電解槽中鋁液達(dá)到權(quán)利要求1所述目標(biāo)Ti、B含量所需添加鈦化合物、硼化合物的天數(shù)為Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù) B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加鈦化合物、硼化合物天數(shù)0-0.05％ 0-0.05％ 1天＞0.05％-0.10％＞0.05％-0.10％ 2天＞0.10％-0.15％＞0.10％-0.15％ 3天＞0.15％-0.20％＞0.15％-0.20％ 4天。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備含鈦、硼、稀土的多元微合金化鋁合金的方法，其特征在于所說(shuō)冰晶石體系的電解質(zhì)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為氟化鈉與氟化鋁的分子比 2.1-2.7氟化鈉 40.0-51.0％氟化鋁 35.0-46.0％氟化鈣 ≤6.5％氟化鎂 ≤3.0％。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備含鈦、硼、稀土的多元微合金化鋁合金的方法，其特征在于電解工藝參數(shù)為電解質(zhì)溫度920-980℃電解槽工作電壓3.90-4.50V鋁液高度 15-26cm電解質(zhì)高度15-26cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備含鈦、硼、稀土的多元微合金化鋁合金的方法，其特征在于所說(shuō)鈦化合物為二氧化鈦和氟化鈦。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備含鈦、硼、稀土的多元微合金化鋁合金的方法，其特征在于所說(shuō)硼化合物為三氧化二硼。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備含鈦、硼、稀土的多元微合金化鋁合金的方法，其特征在于所說(shuō)稀土化合物為氧化稀土，氯化稀土，碳酸稀土。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備多元微合金化鋁合金的方法，其特征在于稀土化合物優(yōu)選碳酸稀土。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種含鈦、硼、稀土的多元微合金化鋁合金，其各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Ti≤0.2％，B≤0.1％，稀土≤0.6％，雜質(zhì)≤0.6％，余量為鋁，其中Ti、B、稀土不能同時(shí)為0。同時(shí)提供了制備該鋁合金的方法，即在電解鋁生產(chǎn)設(shè)施和生產(chǎn)工藝不變的條件下，在電解質(zhì)中添加一定比例的鈦化合物，硼化合物、稀土化合物，采用氧化鋁－化合物－冰晶石熔鹽電解共析法進(jìn)行生產(chǎn)。本發(fā)明由于采用電解法添加鈦、硼、稀土元素，使得生產(chǎn)成本降低，產(chǎn)物晶粒細(xì)小，耐高溫性強(qiáng)，長(zhǎng)效性好，遺傳性好，且合金元素的收得率高。
文檔編號(hào)C22C21/00GK1693506SQ200510017580
公開日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2005年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月17日
發(fā)明者左秀榮, 孫海斌, 宋天福, 翁永剛, 劉忠俠, 王明星, 楊昇, 崔海超 申請(qǐng)人:鄭州大學(xué)